光伏发电系统的优化--建模、仿真和控制.pdf

国际电气工程先进技术译丛光伏发电系统的优化 建模、仿真和控制（阿尔及利亚）Djamila Rekioua（比利时）Ernest Matagne 著杨立永 毛 鹏 译机 械 工 业 出 版 社本书是作者在长期从事光伏发电系统的研究与应用的基础上，参考大量文献编写而成的。在本书中，即讨论了太阳光辐射理论、光伏电池建模理论、光伏发电用电力电子系统的建模理论等光伏发电系统中的基本问题，又从光伏发电系统的实际应用角度出发，深入浅出地讨论了一些实际问题：最大功率点跟踪、电池储能、光伏水泵系统以及混合式光伏发电系统等，为光伏发电系统的实际应用提供了理论基础。本书可为从事光伏发电系统相关研究和应用的工程技术人员提供参考，也可作为高等院校相关专业学生的教材使用。Translation from the English language edition：by Djamila Rekiouaand Ernest Matagne.Springer-Verlag London Limited 2012 is a part of Springer Science+Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社独家出版。版权所有，侵权必究。北京市版权局著作权合同登记：图字 01-2012-5078 号图书在版编目（CIP）数据光伏发电系统的优化：建模、仿真和控制/（阿尔及）瑞奇奥（Reki-oua，D.）等著；杨立永，毛鹏译.北京：机械工业出版社，2014.1（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Optimization of photovoltaic power systems modelization，simula-tion and controlISBN 978-7-111-45649-0.光.瑞杨毛.太阳能发电-系统优化.TM615中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 020352 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：江婧婧 版式设计：霍永明责任校对：马精明 责任印制：江婧婧 责任编辑刘怡丹 肖 琳 封面设计2014 年 5 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm13.75 印张298 千字00013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-45649-0定价：59.80 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务教 材 网：http：/机工官网：http：/机工官博：http：/ 宇北京机工印刷厂印刷（三河市南杨庄国丰装订厂装订）译 者 序在世界范围内，常规化石能源日趋枯竭，同时环境污染问题日益引起人们的关注，因此，各国政府越来越重视可再生能源的发展。太阳能取之不尽，用之不竭，而且在转换过程中不会污染环境。与传统发电方式不同，在太阳能转换为电能的过程中，具有无转动部件、模块化结构、运行维护简单、建设周期短以及可以利用荒漠土地和建筑屋顶资源等一系列独特的优点，是一种清洁和安全可靠的可再生能源，所以光伏发电作为能源革命的主要内容而受到了世界各国的广泛重视。目前，随着我国光伏发电系统装机容量连续几年快速增长，数十 MW 的大型地面电站和建筑光伏发电系统也不再罕见，表明国内光伏发电系统已经进入了大规模的推广应用阶段。为了将国外的先进光伏发电理论和工程应用技术引入到我国光伏产业的建设中，并且为新能源领域的研发和工程建设输送合格人才，受机械工业出版社的委托，我们有幸翻译了该书。这本书强调系统建模，结合仿真说明，重视系统优化。首先对光伏发电系统中的各个关键环节进行了理论分析和数学建模；其次在数学模型的基础上，搭建仿真系统，利用仿真手段对相关理论进行说明，本书还依托模型、仿真以及理论结果，为设计和应用中存在的实际问题提供了解决思路和优化方案。衷心希望本书能够对促进我国光伏发电系统领域的教学、科研和工程实践等方面的发展有所帮助。本书涉及了太阳光辐射照度、光伏电池、光伏发电用电力电子装置、最大功率点跟踪算法、电池储能系统、光伏水泵系统和混合式发电系统等方面的内容。本书的第1、2、3 章的翻译工作主要由毛鹏完成，第 4 章的翻译工作主要由陈智刚完成，第 5、6、7 章的翻译工作主要由杨立永完成。北方工业大学的张卫平教授在百忙之中对于这本书的翻译工作给予了中肯的指导。最后感谢机械工业出版社给予的厚爱和支持。由于译者的水平有限，本书可能存在一些翻译不当之处，欢迎读者提出宝贵的修改意见和建议。杨立永 毛 鹏2013 年 12 月原 书 前 言世界上的绝大多数地方都拥有着丰富的太阳能资源，因为其无偿性以及无限性，所以它在很多应用中是一种经济的能源。太阳辐射到地球上的能量是巨大的、持续的，它半个小时所释放的能量就可以供应整个世界一年的能量消耗。太阳能是一种清洁的可再生能源，在利用过程中，它既不会释放引起温室效应的气体，也不会产生有毒垃圾。光伏发电是将来自太阳的辐射能量转化成直流电能的技术。光伏系统最主要的优点如下所述：1.光电转化是一个完全固态且封闭的过程。2.转换过程没有移动的部件，也没有物质的消耗和释放。3.转换过程不会排放污染物。4.它可以独立运行，不需要和现有的能量或者燃料供给相连接。5.它也可以与其他的电能组合，以提高整个系统的可靠性。6.它可以承受极端的气候条件，包含多云天气。7.它不需要消耗化石燃料，它的“燃料”来源是无偿的、无限的。8.它可以作为组合式建筑块进行安装与升级，只要增加光伏组件的数量便可满足更多的能量需求。自 20 世纪 70 年代以来，随着单位瓦特的峰值功率价格的大幅度下降，光伏发电系统在许多有前景的领域得到了大规模的应用。较传统的化石燃料而言，世界上偏远地区的人们也往往青睐于选择小规模的独立光伏发电系统。目前小规模的光伏发电系统为世界提供了大量的能量。目前在发展中国家尚有 20 亿左右的人口没有得到电力供应，在这些地方光伏发电系统将有更大的应用潜力。本书的目的市场上有许多书是讨论太阳电池的，例如电池的半导体的结构特性，本书立足于讨论光伏发电系统建模以及实际应用中存在的问题。本书的主要目的是让电气工程专业的本科生以及研究生快速地理解光伏发电系统的概念，掌握光伏发电系统的模型，优化光伏发电系统在一些独立发电系统（例如农村电气化、水泵、海水淡化）中的应用。本书给出了每个系统的数学模型并且在每一部分的结尾处都给出了在 MATLAB/Simulink 环境下相对应的例子。与本书配套的还有每个应用的原理图及在 DSPACE 环境下的最终实现。本书还介绍了一些电机控制的方法，譬如矢量控制和直接转矩控制。除此之外，为了优化光伏发电系统，本书还引入了智能技术。通过本书的编写，我们完善了已有的光伏发电领域的知识，同时读者也能学习到如何建模以及如何通过应用不同控制策略对应用最为广泛的独立光伏发电系统进行优化。本书的结构本书共有 7 章。第 1 章中介绍了光伏发电的过程，影响发电相关的气象因素，太阳光的辐射以及光伏发电系统的结构。在该章中还介绍了光伏系统规模的估算以及光伏发电系统的维护。第 2 章注重于太阳光辐射以及电池的建模。该章提出了描述太阳电池工作原理的不同模型，并且给出了在 MATLAB/Simulink 环境下的仿真程序。第 3 章专门介绍电力电子系统的建模以及应用于光伏发电系统中的各种变换器的结构。第4 章介绍了常用的最大功率点跟踪的算法，并且给出了在 MATLAB/Simulink 环境下一些简单的例子。第 5 章介绍了储能装置的建模，研究并建立了常用的电池组的模型以及铅酸蓄电池的实验方案。第 6 章介绍了基于直流电动机和交流电动机的光伏水泵系统。分别对每一个部件进行了建模，然后连接成子系统进行仿真。同时介绍了许多控制算法，如标量控制算法，矢量控制算法，直接转矩控制算法。该章还采用了经典的最优算法并且对比了光伏水泵系统和柴油发电机在经济上的可行性。此外，还从环境方面考量了光伏水泵系统。第 7 章专门介绍了不同结构、不同组合的混合式光伏发电系统。同时给出了不同的整体方案和仿真实例。原 书 前 言目录译者序原书前言第 1 章 光伏发电应用概述1 1.1 光伏效应的定义3 1.1.1 辐射照度和太阳辐射3 1.1.2 光伏电池技术3 1.1.3 光伏电池以及光伏组件5 1.2 光伏系统简介10 1.2.1 独立光伏系统10 1.2.2 并网光伏系统13 1.3 光伏系统的结构规划14 1.3.1 确定负载曲线14 1.3.2 太阳辐射分析14 1.3.3 光伏发电量估计14 1.3.4 光伏发电系统的面积14 1.3.5 电池组的数量15 1.3.6 逆变器的选择16 1.3.7 直流导线的规格17 1.3.8 交流电缆的规格18 1.3.9 直流熔断器的规格19 1.4 光伏系统的可行性19 1.4.1 估计光伏发电系统大小19 1.4.2 估计光伏发电系统的成本19 1.5 光伏系统的维护21 1.5.1 太阳电池板清洗21 1.5.2 检查21 1.5.3 蓄电池组的定期维护21 1.5.4 逆变器的控制21第 2 章 太阳辐射照度模型以及电池模型22 2.1 辐射模型24 2.1.1 原理以及假设24 2.1.2 天空和大地的辐射模型27 2.1.3 大气模型29 2.2 光伏阵列的模型37 2.2.1 理想模型37 2.2.2 双二极管光伏阵列模型58 2.2.3 功率模型59 2.2.4 光伏阵列总结62第 3 章 电力电子的建模65 3.1 电力电子变换器中功率损耗的原因66 3.1.1 电力电子基础66 3.1.2 基本损耗的建模方法67 3.1.3 常用的电力半导体器件68 3.1.4 从功率损耗的角度分析半导体器件的特性69 3.2 电力电子变换器的拓扑结构及其对效率的影响69 3.2.1 直接与直流母线相连的结构70 3.2.2 DC/DC 变换70 3.2.3 DC/AC 变换72 3.3 变换器的经验模型76 3.3.1 输入电压恒定时的情况76 3.3.2 输入电压变化时的情况77 3.3.3 实验中测试损耗的注意事项77 3.4 电路建模77 3.5 额定功率选择的注意事项77 3.6 用于分布式能源系统控制的多级系统78 3.6.1 多级系统（MAS）78 3.6.2 电力系统中的多级系统79 3.6.3 分布式电力系统79 3.6.4 逆变器的控制系统79 3.6.5 应用79 3.7 结论80第 4 章 光伏阵列的优化81 4.1 最优算法简介81 4.2 MPPT 算法83 4.2.1 扰动观测法85目 录 4.2.2 改进的扰动观测法86 4.2.3 电导增量法86 4.2.4 改进的电导增量法90 4.2.5 爬山法90 4.2.6 基于比例关系的 MPPT 控制方法90 4.2.7 曲线拟合法92 4.2.8 查表法93 4.2.9 滑模控制93 4.2.10 寄生电容模型法96 4.2.11 模糊控制技术97 4.2.12 人工神经网络103 4.2.13 神经-模糊方法103 4.2.14 遗传算法104 4.3 MPPT 算法的效率106 4.4 不同算法的比较106第 5 章 储能系统建模108 5.1 不同储能系统的简介109 5.1.1 电池组系统109 5.1.2 电池组模型115 5.1.3 电池组的等效电路117 5.1.4 动力模型122 5.1.5 应用：CIEMAT 模型122第 6 章 光伏泵系统130 6.1 基于直流电动机的光伏泵系统131 6.1.1 概述131 6.1.2 系统建模132 6.1.3 应用135 6.2 基于交流电动机的光伏泵系统137 6.2.1 概述137 6.2.2 系统建模137 6.2.3 基于标量控制